University of Groningen
Novel peptide replicators from dynamic combinatorial libraries
Altay, Yigit
DOI:
10.33612/diss.90041906
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Altay, Y. (2019). Novel peptide replicators from dynamic combinatorial libraries. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.90041906
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
318 Summary
replicator and a serine-based replicator. Unexpectedly, not only the structure of the replicator but also its size is important for setting up a mutualistic relationship be-tween these replicators. We have observed the emergence of threonine-based hexamer replicator only when it was interacted with serine-based octamer replicator. Simi-larly, threonine-based hexamer replicator helps serine-based hexamer and octamer replicators to grow, which sets the basis of the mutualistic relation. In contrast to this very specific type of interaction, in Chapter 4, we showed how the size of the emerging replicators was dictated by pre-existed ones. In the system, which is based on a tyrosine-based peptide building block, emergence of the replicator has no spe-cific dependence on the structure of the other replicator but copies the macrocycle size (i.e. hexamer replicators directs the formation of a hexamer replicator and oc-tamer replicator directs the formation of an ococ-tamer replicator). In some of the cases the relationship between replicators is commensalistic and in some of the cases we observed a parasitic-like relationship as we monitored the emergence of macrocycles that are composed of different building blocks.
In Chapter 5 we explored quasi-speciation in dynamic combinatorial libraries. To achieve that, instead of using two distinct replicators, we used families of repli-cators that are formed by mixing two structurally different building blocks. In our case, conceptually very simple experiments brought some challenges. New protocols and procedures were established following the optimization of the experimental set up. We showed that a family of replicators that are made from serine-based and phenylalanine-based peptide building blocks can be sustained out of equilibrium, where replication and destruction occur simultaneously.
In Chapter 6 we showed a novel strategy to fast and reliable analysis of the library behavior using optical readout. A combinatorial molecular sensor, which was developed by the Margulies group, was used to probe the composition of the DCLs. Experiments that represent evolution of a DCL showed that the molecular sensor can not only distinguish self-assembled fibers from the rest, but also non-assembled monomers from non-assembled trimers and tetramers. In addition, self-assembled structures made from peptides with minor structural differences (but with the same macrocycle size) were also successfully discriminated.
Chapter 7 provides an overview of the thesis and an outlook to the future of the field.
Samenvatting
De focus van dit proefschrift ligt op de ontwikkeling van nieuwe peptide zelf-replicatoren uit dynamische combinatori bibliotheken. Thiol gefunctionaliseerde peptide bouw-stenen, voor het eerst door onze groep in 2010 beschreven, vormen de basis voor alle hoofdstukken. Het werk dat is beschreven in dit proefschrift heeft twee hoofddoelen. Het eerste doel is om beter inzicht te krijgen in zelf-replicerende systemen. Het tweede doel is om peptide bouwstenen te gebruiken om natuurgetrouwe eigenschappen, zoals replicatie, en de dynamiek tussen replicatoren, te imiteren.
Hoofdstuk 1 geeft een beknopt overzicht van systeemchemie en dynamische combinatori chemie als een benadering voor het ontwikkelen van de novo leven.
In Hoofdstuk 2 hebben we gevonden dat aminozuren dicht bij de C-terminus van de peptide bouwsteen bepalend zijn voor de replicator ringgrootte en zelf-assemblage. Moleculaire dynamica simulaties lieten zien dat een grotere ring resulteerde in een rondere vorm met een afgeschermde kern. De complexe interacties in de kern van ringen die uit meer dan acht bouwstenen zijn opgebouwd kunnen de laterale aggre-gatie met andere ringen hinderen. Daarom is het, met het huidige ontwerp van onze bouwstenen, onwaarschijnlijk dat er replicatoren worden gevormd die groter zijn dan een acht-ring. De resultaten laten ook zien dat de grootte van de replicator niet alleen bepaald wordt door de hydrofobiciteit van de peptide. Intermoleculaire en in-tramoleculaire interacties kunnen dusdanig beloed worden door een verandering van een enkel aminozuur, dat replicatie niet langer plaatsheeft. We hebben ook gevonden dat niet alleen de aminozuren dicht bij de C-terminus belangrijk zijn om het systeem te laten zelfassembleren, maar dat dit ook geldt voor de lading op de C-terminus. Moleculaire dynamica simulaties ondersteunen onze inzichten (verwijdering van de lading op de C-terminus verhindert zelf-assemblage) en laten zien dat de lading op de C-terminus invloed heeft op zout-brug vorming en op de afstand tussen de beta-sheets. We hebben ook laten zien dat bij een hoge ionsterkte de nucleatie sneller
320 Samenvatting
gaan en de morfologie van de fibers verandert.
In Hoofdstuk 3 hebben we een wederkerige relatie gevonden tussen een thre-onine bevattende replicator en een serine bevattende replicator. Verrassend genoeg bleek niet alleen de structuur van de bouwsteen van de replicator van belang te zijn voor deze relatie, maar ook de ringgrootte van de replicator. Threonine bevattende 6-ringen werden alleen gevormd in aanwezigheid van een serine bevattende 8-ring replicator. Op een vergelijkbare manier helpen threonine bevattende 6-ring replica-toren de groei van serine bevattende 6-ringen en 8-ringen.
In tegenstelling tot deze zeer specifieke interactie tussen replicatoren, hebben we in Hoofdstuk 4 laten zien hoe de grootte van nieuwe replicatoren kan worden bepaald door de grootte van een al aanwezige replicator. In dit system, gebaseerd op een tyrosine bevattende peptide bouwsteen, hangt de aard van de nieuwe replicator niet specifiek af van de structuur van de bouwsteen van de al bestaande replicator. In plaats daarvan is de ringgroote van de al bestaande replicator bepalend; dat wil zeggen: 6-ring replicatoren leiden tot vorming van een 6-ring replicator en 8-ring replicatoren induceren de vorming van een 8-ring replicator. In sommige gevallen is de relatie tussen replicatoren commensalistisch en in sommige gevallen is er sprake van een parasitaire relatie.
In Hoofdstuk 5 hebben we gekeken naar het ontstaan van een zogenaamde “quasi-species”. We hebben replicator families gemaakt door het mengen van twee verschillende bouwstenen. Deze conceptueel gezien erg eenvoudige experimenten leverden flinke uitdagingen op. Nieuwe protocollen en procedures moesten worden opgezet en vergden uitgebreide optimalisatie van de experimentele parameters. We hebben laten zien dat, in niet-evenwichtssystemen, waarbij replicatie en het “verni-etigen” van replicatoren gelijktijdig plaatsvinden, een familie van replicatoren zich in stand kan houden die is opgebouwd uit serine- fenylalanine bevattende peptide bouwstenen.
In Hoofdstuk 6 laten we een nieuwe methode zien waarmee snel en betrouw-baar het gedrag van een complex mengsel kan worden geanalyseerd. Een combi-natori moleculaire sensor, ontwikkeld door de Margulies groep, werd gebruikt om de compositie van dynamische combinatori bibliotheken te onderzoeken. De molec-ulaire sensor kan zelf-geassembleerde fibers onderscheiden van niet-geassembleerde monomeren van niet-geassembleerde trimeren en tetrameren. Daarnaast konden ook zelf-geassembleerde structuren, opgebouwd uit ringen van dezelfde grootte en gemaakt van bouwstenen die erg op elkaar lijken, succesvol van elkaar worden onder-scheiden.
Hoofdstuk 7 biedt een terugblik op het werk dat is beschreven in dit proefschrift en een vooruitblik naar de toekomst van het veld.
Acknowledgements
I would like to express my sincere appreciation to my supervisor Sijbren Otto for giving me the opportunity to work in his research group and perform my PhD stud-ies under his supervision. I cannot express how greatly these “so what?” questions helped me to explore new perspectives.
I would like to thank Morteza for all the help and introduction to the dynamic combinatorial chemistry. I would like to extend my special thanks to Monique and Theodora for always being there when I faced with a problem in chromatography. Without your efforts to fix problems and help to improve our analysis, this work could not be finished.Additionally, I would like to thank all the past and present members of the Otto group that I have been working with during my PhD studies: Andrea, Andreas, Ankush, Asish, Babis, Bartosz, Bin, Boris, David, Elio, Falk, Gael, Giulia, Guille, Hugo, Ivana, Ivar, Ivica, Jan, Jianwei, Jim, Marcel, Masoumeh, Mathieu, Omer, Peter, Pim, Piotr, Saleh, Shuo, Sinem, Wietse, and Xiaoming. I thank them all for helpful discussions and collaborations.
Dear Tuba, Tu˘g¸ce, Can, Pınar and Damla... Thank you for your unconditional friendship and continuous support. I have learnt that distance means so little, when someone means so much. I also would like to express my sincere appreciation to M¨uge, Patrick, Ay¸seg¨ul, Sema, Turhan, Burcu, Se¸ckin, Pınar, Nihat, Nilay, S¸eyda, G¨okhan for making Groningen more bearable.
Canım ailem... Bana olan sonsuz destek ve g¨uveninizi her g¨un hissediyor ve buna layık olmaya ¸calı¸sıyorum. Bana olan inancınızı hi¸c kaybetmedi˘giniz i¸cin minnettarım. ˙Iyi ki varsınız, hepinizi ¸cok seviyorum.
And Meniz... Without you, this thesis would not get published. Thank you for being my best friend, a patient colleague and an amazing wife.
